LISTA DE EXERCÍCIOS 2 (UNIDADE I PILHAS E ACUMULADORES)

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CENTRO DE ENGENHARIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA DISCIPLINA: QUÍMICA APLICADA À ENGENHARIA PROFESSOR: FREDERICO RIBEIRO DO CARMO LISTA DE EXERCÍCIOS 2 (UNIDADE I PILHAS E ACUMULADORES) 1. Assinale V (verdadeir) u F (fals) nas sentenças abaix. Justifique s itens marcad cm fals. a) ( ) O camp elétric devid a uma carga psitiva é dirigid para lnge da carga, e camp elétric devid a uma carga negativa é dirigid na direçã da carga. b) ( ) O ptencial elétric aumenta à medida que se chega mais pert de uma carga psitiva. c) ( ) O ptencial elétric em um pnt a mei caminh entre um prótn e um elétrn é zer. d) ( ) A cnstante de Faraday é igual à carga pr ml de elétrns. e) ( ) A fem da célula de Daniell é igual á diferença de ptencial em circuit abert entre pedaç de cbre mergulhad na sluçã de CuSO 4 e Zn mergulhad na sluçã de ZnSO 4. f) ( ) A fem de uma célula galvânica é a diferença de ptencial em circuit abert entre duas fases cujas cmpsições químicas diferem de frma insignificante uma da utra. g) ( ) Na reaçã química espntânea de uma célula galvânica, s elétrns fluem d catd para and. h) ( ) Se dbrarms tds s ceficientes em uma reaçã de célula, númer de carga n é duplicad e a fem permanece inalterada. i) ( ) A fem padrã E de uma célula galvânica é valr limite de E tmad á medida que tdas as mlalidades tendem a zer. j) ( ) Quand uma meia-reaçã é multiplicada pr 2, seu ptencial de reduçã-padrã E é multiplicad pr 2. k) ( ) Na equaçã E = E d E e, E d e E e sã ptenciais de reduçã. 2. Para uma certa célula de Daniell em circuit abert e cm diagrama Cu Zn ZnSO 4 (aq) CuSO 4 (aq) Cu, supnha que seguinte seja verdade: Para eletrd de cbre, φ é 0,3 V mais alt que φ para a sluçã de CuSO 4 (aq); para a sluçã de ZnSO 4 (aq), φ é 0,1 V mair que φ para a sluçã de CuSO 4 (aq); eletrd de Zn e a sluçã de ZnSO 4 (aq) estã a mesm ptencial elétric; para terminal de Cu, φ é 0,2 inferir a φ para eletrd de Zn. Determine a fem dessa célula. 3. Supnha que vcê queira cnstruir uma célula vltaica que utiliza as seguintes semirreações: A 2+ (aq) + 2e A(s) B 2+ (aq) + 2e B(s) = 0,10 V = 1,10 V Cmece cm a célula incmpleta mstrada a seguir, em que s eletrds estã imerss em água. a) Quais adições vcê deve fazer à célula para que ela pssa gerar uma fem padrã?

2 b) Qual eletrd funcina cm cátd? c) Em que sentid s elétrns se mvem pel circuit extern? d) Qual tensã a célula vai gerar sb cndições padrã? 4. Cnsidere a seguinte tabela de ptenciais padrã de eletrd para uma série de reações hiptéticas em sluçã aqusa: Semirreaçã de reduçã A + (aq) + e A(s) B 2+ (aq) + 2e B(s) C 3+ (aq) + 3e C 2+ (aq) D 3+ (aq) + 3e D(s) E (V) = 1,33 V = 0,87 V = 0,12 V = 1,59 V a) Qual substância é agente xidante mais frte? Qual é mais frac? b) Qual substância é agente redutr mais frte? Qual é mais frac? c) Qual(is) substância(s) pde(m) xidar C 2+? 5. Uma célula vltaica semelhante à de Daniell é cnstruída. Uma semicélula de eletrd cnsiste em uma lâmina de prata clcada em uma sluçã de AgNO 3, e a utra tem uma lâmina de ferr clcada em uma sluçã de FeCl 2. A reaçã cmpleta da célula é: Fe(s) + 2Ag + (aq) Fe 2+ (aq) + 2Ag(s) a) O que está send xidad e que está send reduzid? b) Escreva as semirreações que crrem nas duas semicélulas. c) Qual eletrd é and e qual é catd? d) Indique s sinais ds eletrds. e) Os elétrns passam d eletrd de prata para de ferr u d eletrd de ferr para de prata? f) Em quais sentids s cátins e ânins migram pela sluçã? 6. Uma célula vltaica semelhante à de Daniell é cnstruída. Uma semicélula de eletrd cnsiste em uma lâmina de alumíni clcada em uma sluçã de Al(NO 3) 3, e a utra tem uma lâmina de níquel clcada em uma sluçã de NiSO 4. A reaçã cmpleta da célula é: 2Al(s) + 3Ni 2+ (aq) 2Al 3+ (aq) + 3Ni(s) a) O que está send xidad e que está send reduzid? b) Escreva as semirreações que crrem nas duas semicélulas. c) Qual eletrd é and e qual é catd? d) Indique s sinais ds eletrds. e) Os elétrns passam d eletrd de alumíni para de níquel u d eletrd de níquel para de alumíni? f) Em quais sentids s cátins e ânins migram pela sluçã? Supnha que Al nã esteja revestid cm seu óxid 7. Escreva as meias-reações e a equaçã balanceada das reações de célula de cada uma das seguintes células galvânicas: a) Ni(s) Ni 2+ (aq) Ag + (aq) Ag(s) b) C(gr) H 2 (g) H + (aq) Cl (aq) Cl 2 (g) Pt(s) c) Cu(s) Cu 2+ (aq) Ce 4+ (aq), Ce 3+ (aq) Pt(s) d) Pt(s) O 2 (g) H + (aq) OH (aq) O 2 (g) Pt(s) e) Pt(s) Sn 4+ (aq), Sn 2+ (aq) Cl (aq) Hg 2 Cl 2 (s) Hg(l)

3 8. Escreva as meias-reações, a equaçã balanceada das reações de célula e diagrama de célula das seguintes reações simplificadas: a) Mn(s) + Ti 2+ (aq) Mn 2+ (aq) + Ti(s) b) Fe 3+ (aq) + H 2 (g) Fe 2+ (aq) + H + (aq) c) Cu + (aq) Cu(s) + Cu 2+ (aq) d) MnO 4 (aq) + H + (aq) + Cl (aq) Cl 2 (g) + Mn 2+ (aq) + H 2 O(l) 9. Prediga ptencial padrã de cada uma das seguintes células galvânicas: a) Pt(s) Cr 3+ (aq), Cr 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) b) Ag(s) AgI(s) I (aq) Cl (aq) AgCl(s) Ag(s) c) Hg(l) Hg 2 Cl 2 (s) Cl (aq) Hg 2 2+ (aq) Hg(l) d) C(gr) Sn 4+ (aq), Sn 2+ (aq) Pb 4+ (aq), Pb 2+ (aq) Pt(s) 10. Prediga ptencial de célula padrã e calcule e calcule a energia livre de Gibbs padrã das células galvânicas cujas reações sã: a) 3Zn(s) + 2Bi 2+ (aq) 3Zn 2+ (aq) + 2Bi(s) b) 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) em sluçã ácida. c) 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) em sluçã básica. d) 3Au + (aq) 2Au(s) + Au Um estudante recebeu uma meia-célula padrã, Fe(s) Fe 2+ (aq), e a utra meia-célula cntend um metal M, descnhecid, imers em uma sluçã 1,00 M de MNO 3(aq). Quand as duas meias-células fram ligadas, em 25 C, a célula cmpleta funcinu cm uma célula galvânica cm E = +1,24 V. A reaçã prsseguiu durante a nite e s dis eletrds fram pesads. O eletrd de ferr estava mais leve e eletrd d metal descnhecid mais pesad d que n iníci. Qual é ptencial de reduçã d par descnhecid M 2+ /M? 12. Arranje as seguintes espécies em rdem crescente de frça cm agentes xidantes de espécies disslvidas em água: a) C 2+, Cl 2, Ce 4+, In 3+ b) NO 3, ClO 4, HBrO, Cr 2 O 7 2, tds em sluçã ácida. c) O 2, O 3, HClO, HBrO, tds em sluçã básica. d) O 2, O 3, ClO, BrO, tds em sluçã básica. 13. Supnha que s seguintes pares redx sã unids para frmar uma célula galvânica que gere crrente elétrica em cndições padrã. Identifique agente xidante, agente redutr, escreva diagrama da célula e calcule ptencial padrã da célula: a) Pt 2+ /Pt e AgF/Ag, F b) Cr 3+ /Cr 2+ e I 3 /I c) H + /H 2 e Ni 2+ /Ni d) O 3 /O 2,OH e O 3, H + /O Identifique, na lista a seguir, as reações em que K > 1. Escreva, para essas reações, as meias-reações balanceadas de xidaçã e de reduçã. Mstre que K > 1 pel cálcul da energia livre de Gibbs de reaçã. Use s menres ceficientes inteirs para balancear as equações. a) Mg 2+ (aq) + Cu(s)? b) Al(s) + Pb 2+ (aq)? c) Hg 2 2+ (aq) + Ce 3+ (aq)? d) Zn(s) + Sn 2+ (aq)? e) O 2 (g) + H + (aq) + Hg(l)?

4 15. Determine as cnstantes de equilíbri das seguintes reações: a) 2Fe 3+ (aq) + H 2 (g) 2Fe 2+ (aq) + 2H + (aq) b) 2Cr(s) + O 2 (g) + 2H 2 O(l) 2Cr 2+ (aq) + 4OH (aq) c) Mn(s) + Ti 2+ (aq) Mn 2+ (aq) + Ti(s) d) In 3+ (aq) + U 3+ (aq) In 2+ (aq) + U 4+ (aq) 16. Calcule quciente de reaçã, Q, da reaçã de célula, dad valr d ptencial de célula medid. Balanceie as equações químicas usand s ceficientes de menr númer inteir. a) Ag(s) Ag + (aq) ClO 4 (aq), H + (aq), ClO 3 (aq) Pt(s), E = +0,40 V b) C(gr) Cl 2 (g) Cl (aq) Au 3+ (aq) Au(s), E = 0,00 V 17. Determine ptencial das seguintes células: a) Cr(s) Cr 3+ (aq, 0,37 ml L 1 ) Pb 2+ (aq, 9, ml L 1 ) Pb(s) b) Pt(s) H 2 (g, 2,0 bar) H + (ph = 3,5) Cl (aq, 0,75 ml L 1 ) Hg 2 Cl 2 (s) Hg(l) c) C(gr) Sn 4+ (aq, 0,059 ml L 1 ), Sn 2+ (aq, 0,059 ml L 1 ) Fe 3+ (aq, 0,15 ml L 1 ), Fe 2+ (aq, 0,15 ml L 1 ) Pt(s) d) Ag(s) AgI(s) I (aq, 0,025 ml L 1 ) Cl (aq, 0,67 ml L 1 ) AgCl(s) Ag(s) 18. Calcule E para as seguintes células de cncentraçã: a) Cu(s) Cu 2+ (aq, 0,0010 ml L 1 ) Cu 2+ (aq, 0,0010 ml L 1 ) Cu(s) b) Pt(s) H 2 (g, 1 bar) H + (aq, ph = 4) H + (aq, ph = 3) H 2 (g, 1 bar) Pt(s) 19. Determine a quantidade descnhecida nas seguintes células a) Pt(s) H 2 (g, 2,0 bar) H + (ph =? ) Cl (aq, 1,0 ml L 1 ) AgCl(s) Ag(s), E = +0,40 V b) Pb(s) Pb 2+ (aq,? ) Ni 2+ (aq, 0,2 ml L 1 ) Ni(s), E = +0,050 V 20. Um eletrd de chumb em uma sluçã de 0,010 M de Pb(NO 3 ) 2 (aq) está ligad a um eletrd de hidrgêni em que a pressã de H 2 é 1,0 bar. Se ptencial da célula fr 0,057 V, em 25 C, qual será ph d eletrólit n eletrd de hidrgêni? 21. O ptencial padrã de reduçã d Ag 2 CrO 4 a Ag(s) e íns crmat é 0,446 V. a) Escreva a meia-reaçã balanceada da reduçã d crmat de prata. b) Calcule prdut de slubilidade d Ag 2 CrO Seja a célula Ag(s) Ag + (aq, 2, ml L 1 ) Pb 2+ (aq, 0,10 ml L 1 ) Pb(s). Será que ela pde frnecer trabalh? Se fr cas, qual é trabalh máxim que ela pde frnecer (pr ml de Pb)? Qual é valr de H da reaçã de célula e qual é sinal de S? 23. Indique para cada uma das seguintes declarações se ela se aplica a E, a E, a ambs u nenhum. Justifique sua respsta. a) Diminui quand a reaçã da célula avança. b) Se altera cm a temperatura. c) Dbra, quand s ceficientes da equaçã dbram. d) Pde ser calculada a partir de K. e) É uma medida d quant lnge está a reaçã d equilíbri.

5 24. Vlta descbriu que quand ele usava metais diferentes em sua pilha, algumas cmbinações eram mais frtes d que utras. A partir dessas bservações ele cnstruiu uma série eletrmtiva. Cm Vlta teria classificad s seguintes metais, sele pusesse metal mais frtemente redutr primeir: Fe, Ag, Au, Zn, Cu, Ni, C, Al? 25. O K ps de Ni(OH) 2 é 6, Use esse valr e s dads de ptenciais-padrã necessáris para calcular E da meia-reaçã Ni(OH) 2 (s) + 2e Ni(s) + 2OH (aq). 26. Um manual técnic cntém tabelas de quantidades termdinâmicas de reações cmuns. Se vcê quiser saber se uma determinada reaçã de célula tem um ptencial padrã psitiv, quais das seguintes prpriedades dariam a vcê esta infrmaçã diretamente (pr inspeçã)? Quais nã dariam? Explique sua repsta. a) G b) H c) S d) U e) K 27. O amálgama dentári, uma sluçã sólida de prata e estanh em mercúri, era usad para preencher cavidades de dentes. Duas das meias-reações que pdem acntecer n material sã 3Hg 2+ 2 (aq) + 4Ag(s) + 6e 2Ag 2 Hg 3 (s) Sn 2+ (aq) + 3Ag(s) + 2e Ag 3 Sn(s) E = +0,85 V E = 0,05 V Indique uma razã pela qual alguém pde sentir dr a mrder acidentalmente papel de alumíni tend um dente cm bturaçã de prata. Escreva uma equaçã química balanceada para justificar sua repsta. 28. Os seguintes itens fram retirads de um almxarifad para a cnstruçã de uma célula galvânica: dis béqueres de 250 ml e uma pnte salina, um vltímetr cm fis e pinças, 200 ml de uma sluçã 0,0080 M de CrCl 3 (aq), 200 ml de uma sluçã 0,12 M de CuSO 4 (aq), um pedaç de fi de cbre e um pedaç de metal crmad. a) Descreva a cnstruçã da célula galvânica. b) Escreva as meias-reações de reduçã. c) Escreva a reaçã ttal da célula. d) Escreva diagrama de célula da célula galvânica. e) Qual é ptencial esperad para a célula? 29. Em um neurôni (uma célula nervsa), a cncentraçã de íns K + dentr da célula é cerca de 20 a 30 vezes a cncentraçã externa. Qual seria a diferença de ptencial, entre interir e exterir da célula, que vcê esperaria medir se a diferença fsse devid smente a desbalanç ds íns ptássi? 30. Quand um medidr de ph fi padrnizad cm uma sluçã tampã ácid bóric-brat cm ph 9,40, ptencial de célula atingiu +0,060 V. Quand tampã fi substituíd pr uma sluçã de cncentraçã descnhecida de íns hidrxôni, ptencial de célula fi +0,22 V. Qual é ph da sluçã? 31. Muitas reações bilógicas imprtantes envlvem transferência de elétrns. Cm ph ds fluids crprais está próxim de 7, ptencial bilógic padrã de um eletrd, E, é medid em ph=7. a) Calcule ptencial bilógic padrã para (i) a reduçã de íns hidrgêni a gás hidrgêni; (ii) a reduçã de íns nitrat a gás NO. b) Calcule ptencial bilógic padrã, E, para a reduçã da bimlécula NAD + a NADH em água. A meia-reaçã em cndições termdinâmicas padrã é NAD + (aq) + H + (aq) + 2e NADH(aq), cm E = 0,099 V. c) O ín piruvat, CH 3 C(= O)CO 2, frma-se durante metablism da glicse n sangue. O ín tem uma cadeia cm três átms de carbn. O átm de carbn central está em ligaçã dupla cm um xigêni e um ds átms

6 de carbn d extrem da cadeia liga-se a dis átms de xigêni para frmar um grup carbxilat. Desenhe a estrutura de Lewis d ín piruvat e estabeleça esquema de hibridaçã d átm de carbn central. d) O ín lactat tem estrutura semelhante à d ín piruvat, excet que agra átm de carbn central liga-se a um grup OH: CH 3 CH(OH)CO 2. Desenhe a estrutura de Lewis d ín piruvat e estabeleça esquema de hibridaçã d átm de carbn central. e) Durante exercícis físics, ín piruvat cnverte-se a ín lactat n crp pr acplament à meia-reaçã d NADH dada na parte (b). N cas da meia-reaçã piruvat + 2H + + 2e lactat, E = 0,190 V. Escreva a reaçã de célula da reaçã espntânea que crre entre esses dis pares bilógics e calcule E e E para a reaçã ttal. f) Calcule a energia livre de Gibbs de reaçã padrã da reaçã da parte (e). g) Calcule a cnstante de equilíbri, em 25 C, da reaçã ttal da parte (e). 32. Mede-se a densidade d eletrólit de uma bateria chumb-ácid para verificar seu estad de carga. Explique cm a densidade reflete estad da carga da bateria. 33. Em relaçã à bateria de chumb-ácid, respnda: a) Escreva a reaçã de célula. b) Explique cm cada uma das seguintes mudam durante a descarga de uma bateria desse tip: ph, quantidade de PbO 2, quantidade ttal de chumb na bateria. c) Pr que grades de chumb-antimôni sã usadas cm eletrd em vez de placas lisas? d) Qual é agente redutr dessa bateria? e) O ptencial de célula chumb-ácid é cerca de 2 V. Cm, entã, a bateria d carr pde prduzir 12 V para seu sistema elétric? 34. Durante um períd de descarga de uma pilha de chumb-ácid, 402 g de Pb d and sã cnvertids em PbSO 4 (s). a) Qual a massa de PbO 2 (s) é reduzida n catd nesse períd? b) Quant clumbs de carga elétrica sã transferids de Pb para PbO 2? 35. Marca-passs cstumam utilizar baterias de btã de crmat de líti e prata. A reaçã cmpleta da célula é: 2Li(s) + Ag 2 CrO 4 (s) Li 2 CrO 4 (s) + 2Ag(s) a) O líti metálic, reagente em um ds eletrds da bateria, é and u catd? b) Esclha as duas semirreações da tabela de ptenciais-padrã que mais se aprximam das reações que crrem na bateria. Qual fem padrã seria gerada pela célula vltaica cm base nessas semirreações? c) A bateria gera uma fem de +3,5 V. Cm esse valr se aprxima d valr calculad n item (b)? d) Calcule a fem que seria gerada à temperatura crpral, 37 C. Cm esse valr é cmparad a calculad n item (b)? 36. As pilhas secas de óxid de mercúri sã cmumente usadas nde se necessita de uma descarga de tensã cnstante e lnga vida útil, cm em relógis e câmeras. As duas semirreações da célula que crrem na pilha sã: HgO(s) + H 2 O(l) + 2e Hg(l) + 2OH (aq) Zn(s) + 2OH (aq) ZnO(s) + H 2 O(l) + 2e a) Escreva a reaçã cmpleta da célula. b) O valr d E da reaçã d cátd é +0,098 V. O ptencial ttal da célula é +1,35 V. A supr que ambas as semicélulas peram sb cndições-padrã, qual é ptencial padrã de reduçã para a reaçã n and? c) Pr que ptencial da reaçã d and é diferente d que se pderia esperar cas a reaçã crresse em mei ácid?

7 37. A célula a cmbustível de alumíni-ar é usada cm bateria de reserva em lugares afastads. Nessa célula, alumíni reage cm xigêni d ar em mei básic. a) Escreva as meias-reações de xidaçã e reduçã dessa célula. b) Calcule ptencial-padrã da célula. 38. Uma célula a cmbustível em que hidrgêni reage cm nitrgêni em vez de xigêni fi prpsta. a) Escreva a equaçã química da reaçã em água, que prduz amônia. b) Qual é a energia livre máxima que a célula pde dispr quand cnsum de nitrgêni é 28,0 kg? c) Essa célula a cmbustível é termdinamicamente factível? 39. O rganism funcina cm se fsse uma célula a cmbustível que usa xigêni d ar para xidar a glicse: C 6 H 12 O 6 (aq) + 6O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6H 2 O(l) Durante a atividade nrmal, uma pessa usa equivalente a cerca de 10 MJ de energia pr dia. Imagine que esse valr crrespnda a G e estime a crrente média que passa pel crp em um dia, supnd que tda a energia que utilizams prvenha da reduçã de O 2 na reaçã de xidaçã da glicse. 40. O gás hidrgêni tem ptencial de um cmbustível limp na reaçã cm xigêni. A reaçã relevante é: 2H 2 O(g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) Cnsidere duas maneiras pssíveis de utilizar essa reaçã cm uma fnte de energia elétrica: (i) Os reagentes hidrgêni e xigêni sã queimads e usads para impulsinar um geradr, assim cm carvã é utilizad atualmente na indústria de energia elétrica; (ii) s gases hidrgêni e xigêni sã usads para gerar energia elétrica diretamente, utilizand células a cmbustível que peram a 85 C. a) Cm base em dads termdinâmics em cndições-padrã, calcule H e S para a reaçã. Vams supr que esses valres nã variem apreciavelmente cm a temperatura. b) Cm base ns valres d item (a), qual é a tendência que vcê esperaria para a rdem de grandeza de G para a reaçã à medida que a temperatura aumenta? c) Qual é significad da variaçã na rdem de grandeza de G cm a temperatura em relaçã à utilidade d hidrgêni cm um cmbustível? d) Cm base nessa análise, seria mais eficiente usar métd de cmbustã u métd de célula a cmbustível para gerar energia elétrica a partir d hidrgêni?